Российские учёные разработали самый точный способ макросъёмки белков
Физики из МФТИ применили метод рентгеновской дифракции к крупным молекулам белков-рецепторов и получили изображение их структуры с рекордно высоким разрешением 1,9 ангстрема.
Международная группа учёных во главе с Вадимом Черезовым из МФТИ и Университета Южной Калифорнии научилась определять пространственную структуру белка, используя атомы серы в составе протеина. Это позволит создать эффективную методику исследования рецепторных белков. Соответствующая статья опубликована в журнале Science Advances.
Учёные использовали метод рентгеновской дифракции, чтобы выявить структуру одного из классов белков-рецепторов. В отличие от рентгеновской кристаллографии, которую обычно применяют в работах подобного рода, новый метод даёт возможность анализировать очень маленькие кристаллы белков. Это удобно тем, что в ряде случаев мелкие кристаллы гораздо проще получить, чем крупные.
Один из таких случаев — рецепторы, сопряжённые с G-белками (GPCR). Их молекулы весьма крупные и динамичные, часто меняют свою трёхмерную структуру, а от неё зависят практически все свойства белков. Между тем знать строение GPCR важно и для фундаментальной науки, и для медицины: ведь эти рецепторы встраиваются в мембраны практически всех клеток и передают сигналы о наличии гормонов, нейромедиаторов или каких-либо физических импульсов (например, света). Без GPCR или с белками неправильного строения организм не сможет нормально функционировать.
Обычно для изучения трёхмерной структуры применяется рентгеновская кристаллография. Для рентгеновских лучей кристалл — это трёхмерная дифракционная решётка, на атомах которой излучение рассеивается. Это позволяет создать образ такой решётки, то есть "картинку" белка. Однако на практике для получения такого снимка надо сначала кристаллизовать белок. Но GPCR — это очень подвижные и динамичные молекулы, часто меняющие свою пространственную структуру. Поэтому из них весьма сложно вырастить крупные кристаллы, а без них классической дифракции не добиться. Дело в том, что стандартная рентгеновская кристаллография требует продолжительного облучения кристалла под разными углами. А ионизирующее рентгеновское излучение быстро разрушает молекулы белка. Поэтому если кристаллы сделать маленькими, они просто "выгорят", не успев дать полной картины своей структуры.
В основе метода рентгеновской дифракции, которую применила в своей работе группа Вадима Черезова, лежит использование рентгеновских источников нового поколения — лазеров на свободных электронах. В них излучение генерируется пучком электронов в вакууме, проходящем сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов. Они вынуждают пучок двигаться по синусоидальной траектории. В результате пучок теряет энергию, которая преобразуется в поток фотонов. Излучение от такого лазера настолько мощное, что оно полностью ионизирует атомы в кристалле при прохождении через него и, по сути, разрушает его. Однако за счёт очень короткого времени лазерного импульса (порядка нескольких фемтосекунд, 10-15 с) получается заснять дифракционную картину до того, как атомы из-за ионизации сдвинутся с места. Благодаря этому можно не обращать внимания на размеры кристаллов.
Поскольку кристалл разрушается моментально, измерить его в различных ориентациях невозможно. Поэтому учёные собирают и обрабатывают данные от множества малых кристаллов. В результате получаются миллионы дифракционных изображений, которые необходимо обработать.
В рамках подхода группы Черезова используется эффект аномального рассеяния. Он возникает, когда длина рентгеновской волны близка к энергии электронного перехода в том или ином атоме. Тогда поглощение рентгеновских волн ведёт к переизлучению ими волны со слегка иной частотой. Как следствие, меняются амплитуды и фазы. Если очень точно измерить амплитуды, то на основе разности между ними становится возможным восстановить фазы.
Достаточно тяжёлым для метода рентгеновской дифракции элементом, который встречается практически во всех белках, является сера. После экспериментального исследования серосодержащего белка из 7 миллионов изображений отобрали 600 тысяч таких, которые имеют дифракционные отражения. Используя их и сопоставляя с данными, полученными при другой длине волны, исследователи подняли разрешение до 1,9 ангстрема. На данный момент такая точность уникальна.
Из существующих 800 GPCR-белков на сегодняшний день известны структуры только 34. Разработанная учёными экспериментальная методика позволит значительно ускорить их исследования, что поможет в создании новых эффективных препаратов против огромного количества заболеваний.
